آیا ابرخازن ها می توانند باتری خودروهای الکتریکی را جایگزین کنند؟

اتومبیل های برقی و هیبریدی به عنوان دور جدیدی از تکامل وسایل نقلیه ، کاملاً در ذهن راننده مدرن ریشه دارد. این خودروها وقتی با مدلهای مجهز به ICE مقایسه می شوند ، مزایا و معایب خاص خود را دارند.

این مزایا همیشه شامل عملکرد بی صدا و همچنین عدم وجود آلودگی در هنگام سوار شدن است (اگرچه امروزه ساخت یک باتری برای یک ماشین الکتریکی بیش از 30 سال کارکرد یک موتور دیزلی را به محیط زیست آلوده می کند).

عیب اصلی وسایل نقلیه الکتریکی نیاز به شارژ باتری است. در ارتباط با این موضوع ، تولیدکنندگان برجسته اتومبیل گزینه های مختلفی را برای چگونگی افزایش دوام باتری و افزایش فاصله بین شارژها در دست دارند. یکی از این گزینه ها استفاده از ابرخازن ها است.

این فناوری را با استفاده از نمونه صنعت خودروسازی جدید - لامبورگینی سیان - در نظر بگیرید. مزایا و معایب این توسعه چیست؟

جدید در بازار خودروهای الکتریکی

هنگامی که لامبورگینی شروع به تولید هیبریدی می کند ، می توانید مطمئن باشید که این تنها نسخه قوی تری از تویوتا پریوس نخواهد بود.

Sian ، اولین شرکت برق سازی ایتالیا ، اولین خودروی تولیدی هیبریدی (63 واحد عظیم) است که از ابر خازن ها به جای باتری های یون لیتیوم استفاده می کند.

بسیاری از فیزیکدانان و مهندسان بر این باورند که اینها کلید تحرک الکتریکی جرمی است و نه باتری های لیتیوم یون. سیان از اینها برای ذخیره برق استفاده می کند و در صورت لزوم آن را به موتور الکتریکی کوچک خود می رساند.

مزایای ابر خازن ها

ابر خازن ها خیلی سریعتر از اکثر باتری های مدرن شارژ و آزاد می شوند. علاوه بر این ، آنها می توانند بدون از دست دادن ظرفیت ، به طور قابل توجهی چرخه شارژ و تخلیه بیشتری را تحمل کنند.

در مورد سیان ، خازن فوق العاده یک موتور الکتریکی 25 کیلوواتی را که درون جعبه دنده تعبیه شده است ، هدایت می کند. این خودرو می تواند باعث تقویت بیشتر موتور احتراق داخلی 6,5 لیتری V12 با قدرت 785 اسب بخار شود و یا اینکه در حین مانورهای سرعت پایین مانند پارکینگ ، خود به خود ماشین اسپرت را هدایت کند.

از آنجا که شارژ بسیار سریع است ، این هیبرید نیازی به اتصال به پریز دیواری یا ایستگاه شارژ ندارد. ابرخازن ها هر بار که ترمز می کند کاملا شارژ می شوند. هیبریدهای باتری نیز از انرژی ترمز بازیابی می کنند ، اما کند است و فقط تا حدی به افزایش دامنه الکتریکی کمک می کند.

ابرخازن یک برگ برنده بسیار بزرگ دیگر نیز دارد: وزن. در لامبورگینی سیان، کل سیستم - موتور الکتریکی به علاوه خازن - تنها 34 کیلوگرم به وزن اضافه می کند. در این حالت افزایش قدرت 33,5 اسب بخار است. برای مقایسه، باتری رنو زو به تنهایی (با 136 اسب بخار قدرت) حدود 400 کیلوگرم وزن دارد.

معایب ابرخازنها

البته ابرخازن ها نسبت به باتری ها معایبی هم دارند. با گذشت زمان، آنها انرژی را بسیار بدتر جمع می کنند - اگر سیان یک هفته سوار نشده باشد، دیگر انرژی در خازن باقی نمی ماند. اما راه حل های ممکن برای این مشکل نیز وجود دارد. لامبورگینی در حال همکاری با موسسه فناوری ماساچوست (MIT) برای ایجاد یک مدل کاملا الکتریکی بر اساس ابرخازن ها، مفهوم معروف Terzo Millenio (هزاره سوم) است.

Bst

به هر حال، لامبورگینی که تحت نظارت گروه فولکس واگن است، تنها شرکتی نیست که در این زمینه آزمایش می کند. مدل های هیبریدی پژو برای سال ها از ابرخازن ها استفاده می کنند، همانند مدل های پیل سوختی هیدروژنی تویوتا و هوندا. سازندگان چینی و کره ای آنها را در اتوبوس ها و کامیون های برقی نصب می کنند. و سال گذشته، تسلا، Maxwell Electronics، یکی از بزرگ‌ترین سازندگان ابرخازن‌های جهان را خرید، که نشانه‌ای مطمئن از این است که حداقل ایلان ماسک به آینده این فناوری اعتقاد دارد.

7 واقعیت اصلی برای درک خازن های بزرگ

1 نحوه کار باتری ها

فناوری باتری یکی از چیزهایی است که ما مدت هاست بدون فکر کردن به نحوه کارکرد آن بدیهی می دانیم. اکثر مردم تصور می کنند که هنگام شارژ کردن، ما به سادگی برق را به باتری می ریزیم، مانند آب در یک لیوان.

اما یک باتری به طور مستقیم الکتریسیته را ذخیره نمی کند، بلکه تنها در صورت نیاز با واکنش شیمیایی بین دو الکترود و مایعی که آنها را از هم جدا می کند، تولید می کند که الکترولیت نامیده می شود. در این واکنش مواد شیمیایی موجود در آن به مواد دیگر تبدیل می شوند. در طی این فرآیند، برق تولید می شود. هنگامی که آنها به طور کامل تبدیل می شوند، واکنش متوقف می شود - باتری تخلیه می شود.

با این حال، با باتری های قابل شارژ، واکنش می تواند در جهت مخالف نیز رخ دهد - هنگامی که آن را شارژ می کنید، انرژی فرآیند معکوس را شروع می کند که مواد شیمیایی اولیه را بازیابی می کند. این ممکن است صدها یا هزاران بار تکرار شود، اما به ناچار ضررهایی وجود دارد. با گذشت زمان، مواد انگلی روی الکترودها جمع می شوند، بنابراین عمر باتری محدود می شود (معمولاً 3000 تا 5000 چرخه).

2 نحوه کار خازن ها

هیچ واکنش شیمیایی در کندانسور اتفاق نمی افتد. بارهای مثبت و منفی منحصراً توسط الکتریسیته ساکن تولید می شود. درون خازن دو صفحه فلزی رسانا وجود دارد که توسط ماده ای عایق به نام دی الکتریک جدا شده اند.

شارژ شباهت زیادی به مالیدن یک توپ به ژاکت پشمی دارد به طوری که با الکتریسیته ساکن می چسبد. بارهای مثبت و منفی در صفحات جمع می شوند و جدا کننده بین آنها که مانع از تماس آنها می شود ، در واقع وسیله ای برای ذخیره انرژی است. خازن را می توان حتی یک میلیون بار بدون از دست دادن ظرفیت شارژ و تخلیه کرد.

3 خازن های بزرگ چیست

خازن های معمولی برای ذخیره انرژی بسیار کوچک هستند - معمولاً در میکروفاراد (میلیون ها فاراد) اندازه گیری می شوند. به همین دلیل ابرخازن ها در دهه 1950 اختراع شدند. در بزرگترین انواع صنعتی آنها که توسط شرکت هایی مانند Maxwell Technologies ساخته می شوند، ظرفیت به چندین هزار فاراد می رسد، یعنی 10-20٪ ظرفیت یک باتری لیتیوم یونی.

4 نحوه کار ابرخازن ها

بر خلاف خازن های معمولی، دی الکتریک وجود ندارد. در عوض، دو صفحه در یک الکترولیت غوطه ور شده و توسط یک لایه عایق بسیار نازک از هم جدا می شوند. ظرفیت یک ابرخازن در واقع با افزایش مساحت این صفحات و کاهش فاصله بین آنها افزایش می یابد. برای افزایش سطح، آنها در حال حاضر با مواد متخلخل مانند نانولوله های کربنی (به قدری ریز که 10 میلیارد از آنها در یک سانتی متر مربع قرار می گیرند) پوشیده شده اند. جداکننده می تواند تنها یک مولکول با لایه ای از گرافن ضخامت داشته باشد.

برای درک تفاوت ، بهتر است که برق را مانند آب در نظر بگیریم. یک خازن ساده پس از آن مانند حوله کاغذی است که می تواند مقدار محدودی را جذب کند. ابرخازن در مثال اسفنج آشپزخانه است.

5 باتری: جوانب مثبت و منفی

باتری ها یک مزیت قابل توجه دارند - چگالی انرژی بالا، که به آنها اجازه می دهد تا مقادیر نسبتا زیادی انرژی را در یک مخزن کوچک ذخیره کنند.

با این حال، آنها همچنین دارای معایب زیادی هستند - وزن زیاد، عمر محدود، شارژ آهسته و انتشار انرژی نسبتاً آهسته. علاوه بر این، از فلزات سمی و سایر مواد خطرناک برای تولید آنها استفاده می شود. باتری‌ها فقط در محدوده دمایی باریکی کارآمد هستند، بنابراین اغلب نیاز به خنک کردن یا گرم کردن دارند و راندمان بالای آن‌ها کاهش می‌یابد.

6 ابرخازن: جوانب مثبت و منفی

ابرخازن ها بسیار سبک تر از باتری ها هستند، عمر آنها به طور غیرقابل مقایسه ای طولانی تر است، آنها به هیچ ماده خطرناکی نیاز ندارند، آنها تقریباً فوراً شارژ و انرژی آزاد می کنند. از آنجایی که آنها تقریباً هیچ مقاومت داخلی ندارند، برای عملکرد انرژی مصرف نمی کنند - کارایی آنها 97-98٪ است. ابرخازن ها بدون انحراف قابل توجه در کل محدوده از -40 تا +65 درجه سانتیگراد کار می کنند.

نقطه ضعف آن این است که انرژی آنها نسبت به باتری های لیتیوم یون به میزان قابل توجهی ذخیره می شود.

7 محتوای جدید

حتی پیشرفته ترین ابر خازن های مدرن نیز نمی توانند به طور کامل جای باتری خودروهای الکتریکی را بگیرند. اما بسیاری از دانشمندان و شرکت های خصوصی در تلاشند تا آنها را بهبود بخشند. به عنوان مثال ، در انگلستان ، Superdielectrics در حال کار با ماده ای است که در اصل برای تولید لنزهای تماسی تولید شده است.

Skeleton Technologies با گرافن، شکل آلوتروپیک کربن، کار می کند. یک لایه با ضخامت یک اتم 100 برابر قوی تر از فولاد پر استحکام است و تنها 1 گرم از آن می تواند 2000 متر مربع را پوشش دهد. این شرکت ابرخازن‌های گرافنی را در وانت‌های دیزلی معمولی نصب کرد و 32 درصد در مصرف سوخت صرفه‌جویی کرد.

با وجود این واقعیت که ابر خازن ها هنوز هم نمی توانند به طور کامل باتری را تعویض کنند ، امروزه روند مثبتی در توسعه این فناوری وجود دارد.

سوالات و پاسخ ها:

ابرخازن چگونه کار می کند؟ مانند خازن های با ظرفیت بالا عمل می کند. در آن، الکتریسیته به دلیل استاتیک در هنگام پلاریزاسیون الکترولیت انباشته می شود. اگرچه این یک دستگاه الکتروشیمیایی است، هیچ واکنش شیمیایی صورت نمی گیرد.

ابرخازن برای چیست؟ ابرخازن ها برای ذخیره انرژی، موتورهای راه اندازی، در وسایل نقلیه هیبریدی، به عنوان منابع جریان کوتاه مدت استفاده می شوند.

یک ابرخازن چه تفاوتی با انواع مختلف باتری دارد؟ باتری قادر است به تنهایی از طریق یک واکنش شیمیایی برق تولید کند. ابرخازن فقط انرژی آزاد شده را جمع می کند.

ابرخازن کجا استفاده می شود؟ خازن های کم ظرفیت در واحدهای فلاش (کاملاً دشارژ) و در هر سیستمی که به تعداد زیادی سیکل تخلیه / شارژ نیاز دارد استفاده می شود.